JP3624798B2 - インバータ用コンデンサモジュール、インバータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ用コンデンサモジュール及びインバータに関し、より詳細には、パワーモジュールなどに好適に用いられるインバータ用コンデンサモジュール及びインバータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
インバータは、スイッチング素子とコンデンサとを備える。図６に示すように、コンデンサ５１の端子５２がスイッチング素子５３に電気的に接続されている。なお、図６では、１つの端子５２のみが示されているが、コンデンサ５１の極性の異なる一対の端子が、それぞれ、スイッチング素子５３に電気的に接続されている。また、実際のインバータでは、図示しない絶縁性を有するハウジング内に、上記コンデンサ５１及びスイッチング素子５３が搭載されている。
【０００３】
他の電子機器や電子部品と同様に、インバータにおいても小型化が求められている。特開平９−３０８２６５号公報には、電気自動車用インバータ装置であって、設置面積を小さくし、それによって搭載スペースの有効利用を図り得る構造が開示されている。
【０００４】
上記先行技術に記載のインバータ装置では、スイッチングモジュールの入力端子部に接続された入力導体板を折り曲げ、該折り曲げられた入力導体板に電解コンデンサからなる平滑コンデンサを接続することにより、スイッチングモジュールの上方に平滑コンデンサが配置されている。ここでは、比較的大きな寸法の電解コンデンサからなる平滑コンデンサが、スイッチングモジュールの上方に配置されるので、搭載スペースの低減が図られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来のインバータでは、大きな体積を有する電解コンデンサが用いられているので、コンデンサとスイッチングモジュールとの間の電気的接続部分、例えば上記入力導体板がある程度の長さを有する。そのため、この電気的接続部分によりインダクタンス成分が発生せざるをえなかった。
【０００６】
上記インダクタンス成分を小さくするには、スイッチングモジュールのより近くにコンデンサを配置することが望ましい。従って、従来、スイッチングモジュールのできるだけ近くにコンデンサが配置されていた。
【０００７】
しかしながら、上記のように電解コンデンサはその体積がかなり大きく、従って電解コンデンサとスイッチングモジュールとの間の電気的接続部分がある程度の長さを有する以上、インダクタンス成分を小さくするには限界があった。
【０００８】
また、従来のインバータでは、大きな体積を有する電解コンデンサを用いていたため、インバータが大きくならざるを得なかった。加えて、放熱性が十分でなく、ケース内に放熱性を高めるための樹脂を充填しなければならなかった。
【０００９】
本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、インバータにおけるコンデンサモジュールとスイッチングモジュールとの間の電気的接続部分において発生するインダクタンス成分を小さくすることができ、小型化を図ることができ、かつ放熱性にも優れたインバータ用コンデンサモジュール及びインバータを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本願発明者らは、先に、上記課題を達成するものとして、基板に第１，第２の端子を有するセラミックコンデンサを複数個実装してなる平面型のコンデンサモジュール及び該コンデンサモジュールを有するインバータを提案した（特願平１１−３６１５４８号）。しかしながら、静電容量が不足した場合には、コンデンサモジュールにおける基板サイズを大きくして、セラミックコンデンサの搭載数を増加させねばならなかった。そのため、コンデンサモジュールの下方にスイッチングモジュールを取り付けた場合、スイッチングモジュールに比べて、コンデンサモジュールの下方への投影面積が大きくなり、インバータの小型化を図り得ないことがあった。
【００１１】
そこで、本願発明者らは、上記課題を達成するとともに、より大きな静電容量を取得する必要がある場合であっても、小型化を図り得るインバータ用コンデンサモジュール及びインバータについて鋭意検討した結果、本発明をなすに至った。
【００１２】
本発明の広い局面によれば、上面に複数のセラミックコンデンサが実装されており、複数のセラミックコンデンサに給電するために導電膜からなる第１，第２の給電部ランドが両面に形成されており、かつ両面の第１，第２の給電部ランドがそれぞれ電気的に接続されている複数の基板と、前記複数の基板間に挿入されており、上下の第１の給電部ランド同士または第２の給電部ランド同士を電気的に接続する導電性スペーサと、前記複数の基板を前記導電性スペーサを介して積層された状態で固定するための固定手段と、積層されている複数の基板のうち、最下層の基板の下方にスイッチングモジュールが固定されるように構成されており、かつ前記固定手段により、複数の基板が前記スイッチングモジュールにも固定されるように構成されている、インバータ用コンデンサモジュールが提供される。
【００１３】
本発明の特定の局面では、前記複数のセラミックコンデンサが第１，第２の端子を有し、第１の端子が第１の給電部ランドに、第２の端子が第２の給電部ランドに電気的に接続されている。
【００１４】
本発明のさらに特定の局面では、前記複数の基板がプリント配線基板からなり、両面の第１の給電部ランド間及び両面の第２の給電部ランド間が、第１，第２のスルーホール電極により電気的に接続されている。
【００１５】
本発明の他の特定の局面では、前記導電性スペーサの上面または下面において、上方または下方に突出されており、外周面に雄ねじが形成された突出部が設けられており、前記導電性スペーサの下面または上面に、内周面に前記雄ねじと螺合し得る雌ねじが形成された穴が形成されており、複数の導電性スペーサが、上記雄ねじ及び穴に設けられた雌ねじを用いて締結されている。
【００１６】
本発明に係るインバータは、本発明に係るインバータ用コンデンサモジュールと、該コンデンサモジュールにおける最下層の基板の下面側に取り付けられたスイッチングモジュールとを備える。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の具体的な実施例を説明することにより、本発明を明らかにする。
【００１８】
図２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施例に係るインバータを示す平面図及び部分切欠正面図である。
インバータ１は、インバータ用コンデンサモジュール２と、スイッチングモジュール３とを有する。コンデンサモジュール２では、複数の基板４〜６上に、それぞれ、セラミックコンデンサとしての積層コンデンサ７が複数個搭載されている。なお、積層コンデンサ７は、極性が異なる第１，第２のリード端子７ａ，７ｂを有する。第１，第２のリード端子７ａ，７ｂは、金属板の切起しにより形成された多数の金属舌片を有する。
【００１９】
図２（ａ）に示すように、基板４には、第１，第２の端子取付け部４ａ，４ｂが形成されている。端子取付け部４ａ，４ｂは、基板４に設けられた貫通孔として構成されている。なお、基板５，６にも、同様に第１，第２の端子取付け部が貫通孔として形成されている。これらの貫通孔に、スイッチングモジュール３に、基板４〜６を固定するための固定手段としてボルト８，９が挿通されている。
【００２０】
上記基板４に、積層コンデンサ７が取り付けられている構造を図３及び図４を参照して説明する。なお、図３は、基板４に積層コンデンサ７が取り付けられている部分を拡大して示す断面図である。
【００２１】
図３に示すように、基板４は、ガラスエポキシなどの絶縁性材料よりなる絶縁性基板本体１１を有する。なお、絶縁性基板本体１１は、ガラスエポキシ以外の他の絶縁性材料、例えばフェノールなどの合成樹脂やセラミックスにより構成されてもよい。基板５，６についても基板４と同様に構成されている。
【００２２】
絶縁性基板本体１１には、積層コンデンサ７の第１，第２のリード端子７ａ，７ｂの金属舌片部分が挿入される貫通孔１１ａ，１１ｂが形成されている。
なお、積層コンデンサ７は、コンデンサ素体７ｃの両端面に第１，第２のリード端子７ａ，７ｂが接合されたリード付き部品として構成されている。
【００２３】
図４（ａ）に示すように、絶縁性基板本体１１の上面、すなわち基板の上面には、ほぼ全面にわたり、第１の導体１２が形成されている。第１の導体１２は、本実施例ではＣｕからなるが、ＡｇやＡｌなどの他の導電性材料を用いて構成されてもよい。第１の導体１２の貫通孔２０の周囲に至っている部分が第１の給電部１２ａを構成しており、かつ基板４の下面には、第１の給電部１２ａに対向するように第１の給電部１２ｂが形成されている。両面の第１の給電部１２ａ，１２ｂは基板４に形成された複数のスルーホール電極１８により電気的に接続されている。
【００２４】
なお、図３に示すように、コンデンサ７が搭載されている部分では、第１の導体１２は、貫通孔１１ａの内周面を経て、絶縁性基板本体１１の下面において、貫通孔１１ａの周縁に至るように形成されている。他方、第１の導体１２は、絶縁性基板本体１１の上面において、貫通孔１１ｂの周縁を除いて形成されている。また、第１の導体１２は、貫通孔１１ｂには至らないように形成されている。
【００２５】
上記第１の導体１２の上面には、絶縁被覆１３が形成されている。絶縁被覆１３は、絶縁性基板本体１１の上面において形成されており、かつ貫通孔１１ｂの周縁に至るように形成されている。従って、リード端子７ｂと、第１の導体１２との短絡が防止される。絶縁被覆１３は、例えば適宜の合成樹脂被膜等により形成することができる。
【００２６】
図４（ｂ）に示すように、絶縁性基板本体１１の下面においては、ほぼ全面にわたり、第２の導体１４が形成されている。もっとも、第２の導体１４は、貫通孔１１ａの周縁を除いて、かつ第１の給電部１２ｂとは隔てられて形成されている。なお、第２の導体１４の貫通孔２０の周縁部分が第２の給電部１４ａを構成している。また、基板４の上面にも第２の給電部１４ｂが形成されている。両面の第２の給電部１４ａ，１４ｂ同士はスルーホール電極により電気的に接続されている。さらに、第２の導体１４は、貫通孔１１ａの周縁において、第１の導体１２の下面に至っている部分と所定距離を隔てて形成されている。第２の導体１４は、第１の導体１２と同じ材料で構成されている。もっとも、第２の導体１４は、他の導電性材料で構成されていてもよい。
【００２７】
第２の導体１４を被覆するように絶縁被覆１５が形成されている（図３参照）。もっとも、絶縁被覆１５は、貫通孔１１ｂの開口周縁においては、第２の導体１４を露出させるように形成されている。
【００２８】
また、絶縁被覆１５は、貫通孔１１ａの周縁においては、第１の導体１２の下面に至っている部分を露出させるように、第１の導体１２上には至らないように形成されている。
【００２９】
積層コンデンサ７は、リード端子７ａ，７ｂが上記貫通孔１１ａ，１１ｂに挿入されるようにして、基板４に搭載されている。この場合、リード端子７ａが半田１６により、第１の導体１２に接合され、リード端子７ｂが半田１７により第２の導体１４に接合される。
【００３０】
なお、基板５，６上の積層コンデンサ７についても、同様にして基板５，６に搭載されている。
図３から明らかなように、積層コンデンサ７の一方の電位に接続されるリード端子７ａが、第１の導体１２に電気的に接続され、他方の電位に接続されるリード端子７ｂが第２の導体１４に電気的に接続される。そして、第１，第２の導体１２，１４は、基板４の上面及び下面において、それぞれほぼ全面にわたり形成されている。
【００３１】
従って、積層コンデンサモジュール１に、スイッチングモジュール３を後述の取付け構造に従って取り付け、インバータを構成した場合、第１の導体１２及び第２の導体１４に電流が流れるが、第１，第２の導体が基板４〜６の第１，第２の面のほぼ全面積を占めるように形成されているので、多くの電流を流すことができる。
【００３２】
また、上記広い面積にわたり第１，第２の導体が形成されているので、第１，第２の導体１２，１４内において様々な方向に電流が流れ、多数の分流が生じる。よって、第１の導体１２から第２の導体１４側に電流が流れる場合、あるいは第２の導体１４から第１の導体１２側に電流が流れる場合のいずれにおいても、第１，第２の導体１２，１４で構成される電気的接続部分においてインダクタンス分の発生を抑制することができる。
【００３３】
特に、第１，第２の端子取付け部４ａ，４ｂが近接しており、第１の端子取付け部４ａから、第１の導体１２、積層コンデンサ７、第２の１４を介して第２の端子取付け部４ｂに電流が流れる場合、基板４の上面と下面とで電流の流れる方向が逆となるため、それによって発生したインダクタンス分が効果的に相殺される。
【００３４】
加えて、電解コンデンサに比べて非常に小さい積層コンデンサ７を用いているので、さらに基板４〜６上に積層コンデンサ７が搭載されており、最下層の基板６の下方に直接スイッチングモジュール３が取り付けられるように構成されているので、インバータの小型化を図ることができる。加えて、小型化により電気的接続部の長さが短くなり、それによっても、所望でないインダクタンス分の発生を抑制することができる。
【００３５】
次に、基板４〜６をスイッチングモジュール３に固定する構造の詳細を、図１及び図２を参照して説明する。
図１は、基板４〜６の端子取付け部近傍の構造を略図的に示す断面図であり、ここでは、図２（ｂ）に示したボルト８，９は図示されていない。
【００３６】
すなわち、図１では、ボルト８が取り付けられる部分の正面断面図が示されているが、ボルト８が除去されており、端子取付け部４ａを構成している貫通孔２０が図示されている。
【００３７】
本実施例では、基板４〜６間に、導電性スペーサ２１，２２が配置されている。導電性スペーサ２１，２２は、金属からなるが、絶縁性材料の表面を導電性材料で被覆したものであってもよい。
【００３８】
導電性スペーサ２１，２２は、貫通孔２１ａ，２２ａを有する。貫通孔２１ａ，２２ａは、貫通孔２０と同様に、上記ボルト８を挿通させるように構成されている。好ましくは、貫通孔２１ａ，２２ａは貫通孔２０ａと同じ径とされる。
【００３９】
また、図２（ｂ）に示すように、スイッチングモジュール３の上面には、ねじ穴３ａが形成されている。ねじ穴３ａは、ボルト８がねじ込まれるように構成されている。従って、本実施例のインバータ１では、ボルト８を基板４〜６の貫通孔２０及び導電性スペーサ２１，２２の貫通孔２１ａ，２２ａを挿通するように取り付け、その先端をスイッチングモジュール３のねじ穴３ａにねじ込むことにより、基板４〜６を、スイッチングモジュール３に締結することができる。なお、ボルト９による締結構造も、ボルト８による締結構造と同様に構成されている。
【００４０】
さらに、基板４の下面の第１の給電部１２ｂと、基板５の上面の第１の給電部１２ａとが導電性スペーサ２１により電気的に接続されるとともに、基板５の下面の第１の給電部１２ｂと基板６の上面の第１の給電部１２ａが導電性スペーサ２２を介して電気的に接続される。すなわち、上記ボルト８による締結により、基板４〜６の第１の給電部同士が電気的に接続される。ボルト９側における締結構造によっても、同様に基板４〜６の第２の給電部同士が電気的に接続される。従って、上記導電性スペーサー２１，２２及びボルト８，９を用いた取付け構造により、基板４〜６によって構成される回路を電気的に並列に接続することができる。
【００４１】
なお、基板５，６においても、両面の第１の給電部同士及び第１の給電部同士は、スルーホール電極により電気的に接続されている。
なお、図２に示すように、基板４のボルト８，９が設けられている側とは反対側の端縁近傍に、固定用ボルト２５，２６が配置されている。固定用ボルト２５，２６は、単に基板４〜６をスイッチングモジュール３に固定するために用いられているものである。従って、基板４〜６間には、絶縁性スペーサ２７〜２９が配置されている。
【００４２】
なお、ボルト２５，２６は、必ずしも設けられずともよい。もっとも、ボルト２５，２６及び絶縁性スペーサ２７〜２９を用いることにより、基板４〜６を、ボルト９，１０側と同様にして固定することができるので、基板４〜６をスイッチングモジュール３により強固に固定することができ、望ましい。
【００４３】
上記実施例では、貫通孔２１ａ，２２ａを有する導電性スペーサ２１，２２と、ボルト８，９を用いて、基板４〜６とスイッチングモジュール３とを締結したが、ボルトを用いずに、導電性スペーサに締結構造を設けることにより、基板４〜６をスイッチングモジュール３に固定してもよい。このような変形例を図５に示す。
【００４４】
図５に示す変形例では、基板５，６と、基板５の上下に配置される導電性スペーサ３１，３２とが図示されている。ここでは、導電性スペーサ３１，３２は、下面から下方に突出する突出部３１ａ，３２ａを有する。突出部３１ａ，３２ａの外周面には雄ねじが形成されている。
【００４５】
他方、導電性スペーサ３１，３２の上面３１ｂ，３２ｂには、内周面に雌ねじが形成されたねじ穴３１ｃ，３２ｃが形成されている。ねじ穴３１ｃ，３２ｃの内周面の雌ねじは、上記突出部３１ａ，３２ａの雄ねじと螺合するように構成されている。
【００４６】
従って、図５に示すように、基板５，６間に導電性スペーサ３２を配置した状態で、さらに導電性スペーサ３１の突出部３１ａを貫通孔２０に挿通させ、さらに下方の導電性スペーサ３２のねじ穴３２ｃにねじ込むことにより、基板５，６を導電性スペーサ３２を介して締結することができる。このように、導電性スペーサ３１，３２に相互に締結される構造を与えることにより、ボルトを省略することができる。
【００４７】
この場合、突出部３１ａ，３２ａの突出長は、ねじ穴３１ｃ，３２ｃの深さよりも短くしておくことが好ましい。
また、図５に示した変形例では、一対の基板間において独立に締結力が作用するので、複数の基板をより強固に締結することができる。
【００４８】
さらに、導電性スペーサ３１，３２の上面３１ｂ，３２ｂ及び下面だけでなく、上記突出部３１ａ，３２ａと、ねじ穴３１ｃ，３２ｃとの接触によっても電気的な導通が図られるので、電気的接続の信頼性を高めることができる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明に係るインバータ用コンデンサモジュールでは、複数のセラミックコンデンサが搭載された複数の基板が、導電性スペーサを介して固定手段により積層された状態で固定されており、該導電性スペーサにより各基板間が電気的に接続されるので、コンデンサモジュールの下方への投影面積を増やすことなく基板の数を変更することにより静電容量を容易に調整することができる。また、上記複数の基板の最下層の基板の下面にスイッチングモジュールが固定されるように構成されているので、コンデンサモジュールとスイッチングモジュールとを上記のように固定してインバータを構成した場合のインバータの取付けスペースを低減することができる。
【００５０】
セラミックコンデンサが、第１，第２の端子を有し、第１の端子が第１の給電部に、第２の端子が第２の給電部に電気的に接続されている構成においては、各基板において、複数の積層コンデンサを並列に接続することができる。
【００５１】
複数の基板が、プリント配線基板からなり、基板両面の第１の給電部同士及び第２の給電部同士がそれぞれスルーホール電極により電気的に接続されている場合には、導電性スペーサを介して各基板に設けられた回路を並列に接続することができる。
【００５２】
導電性スペーサの上面または下面に、外周面に雄ねじが形成された突出部が設けられており、導電性スペーサの下面または上面に、内周面に雄ねじが形成されたねじ穴が設けられている場合には、導電性スペーサの雄ねじ及びねじ穴を用いて複数の導電性スペーサを締結することができる。すなわち、上記雄ねじとねじ穴により固定手段が構成されるので、ボルト等の他の固定部材を必要としない。加えて、締結力が各基板に独立して作用するため、基板と導電性スペーサとの接触抵抗を低めることができ、かつ該接触抵抗を安定化することができる。さらに、雄ねじとねじ穴の接触部分によっても電気的接続が図られるので、電流容量が大きくなり、発熱を抑制することができる。
【００５３】
本発明に係るインバータでは、本発明に従って構成されたインバータ用コンデンサモジュールと、該コンデンサモジュールの最下層の基板の下面に取り付けられたスイッチングモジュールとを備えるので、小型であり、静電容量の変更を容易に行い得るインバータを容易に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のインバータ用コンデンサモジュールの要部を説明するための部分切欠正面断面図。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施例のインバータの平面図及び部分切欠正面断面図。
【図３】本発明の一実施例において、１つのセラミックコンデンサ基板に搭載されている部分を拡大して示す断面図。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施例において用いられている基板の平面図及び底面図。
【図５】本発明の一実施例の変形例における導電性スペーサと基板との締結構造を説明するための部分切欠正面断面図。
【図６】従来のインバータを説明するための略図的正面図。
【符号の説明】
１…インバータ
２…インバータ用コンデンサモジュール
３…スイッチングモジュール
４〜６…基板
４ａ，４ｂ…端子取付け部
７…積層コンデンサ
８，９…固定手段としてのボルト
１２ａ，１２ｂ…第１の給電部
１４ａ，１４ｂ…第１の給電部
２１，２２…導電性スペーサ
３１，３２…導電性スペーサ
３１ａ，３２ａ…突出部
３１ｂ，３２ｂ…上面
３１ｃ，３２ｃ…ねじ穴

Claims (5)

1. 上面に複数のセラミックコンデンサが実装されており、複数のセラミックコンデンサに給電するために導電膜からなる第１，第２の給電部ランドが両面に形成されており、かつ両面の第１，第２の給電部ランドがそれぞれ電気的に接続されている複数の基板と、
   前記複数の基板間に挿入されており、上下の第１の給電部ランド同士または第２の給電部ランド同士を電気的に接続する導電性スペーサと、
   前記複数の基板を前記導電性スペーサを介して積層された状態で固定するための固定手段と、
   積層されている複数の基板のうち、最下層の基板の下方にスイッチングモジュールが固定されるように構成されており、かつ前記固定手段により、複数の基板が前記スイッチングモジュールにも固定されるように構成されている、インバータ用コンデンサモジュール。
2. 前記複数のセラミックコンデンサが第１，第２の端子を有し、第１の端子が第１の給電部ランドに、第２の端子が第２の給電部ランドに電気的に接続されている、請求項１に記載のインバータ用コンデンサモジュール。
3. 前記複数の基板がプリント配線基板からなり、両面の第１の給電部ランド間及び両面の第２の給電部ランド間が、第１，第２のスルーホール電極により電気的に接続されている、請求項２に記載のインバータ用コンデンサモジュール。
4. 前記導電性スペーサの上面または下面において、上方または下方に突出されており、外周面に雄ねじが形成された突出部が設けられており、前記導電性スペーサの下面または上面に、内周面に前記雄ねじと螺合し得る雌ねじが形成された穴が形成されており、複数の導電性スペーサが、上記雄ねじ及び穴に設けられた雌ねじを用いて締結されている、請求項１〜３のいずれかに記載のインバータ用コンデンサモジュール。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のインバータ用コンデンサモジュールと、
   前記コンデンサモジュールにおける最下層の基板の下面側に取り付けられたスイッチングモジュールとを備える、インバータ。

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